Der Big-Bang-Theorie zufolge ist unser Universum vor knapp 14 Milliarden Jahren aus einem extrem heißen und dichten Zustand hervorgegangen – dem Urknall. „Diese Hypothese geht davon aus, dass die gesamte Materie im Kosmos in ferner Vergangenheit in einem einzigen Big Bang entstanden ist“, erklärte einmal der Astronom und Mathematiker Fred Hoyle (1915-2001).
Kosmische Expansion beschleunigt sich
Seit dem Urknall dehnt sich das Universum rasant aus. Und diese kosmische Expansion beschleunigt sich zudem, wie Astronomen in den 1990er Jahren erstmals erkannten.
Als mögliche Triebkraft dafür gilt die rätselhafte Dunkle Energie – eine bisher unbekannte Kraft, die der anziehenden Wirkung der Gravitation entgegenwirkt. Doch wie schnell sich der Kosmos aktuell ausdehnt, ist strittig – und damit auch der Wert der Hubble-Konstante (H0) – einer der Grundpfeiler unseres kosmologischen Standardmodells.
Zur Info: Die Hubble-Konstante, benannt nach dem US-Astronomen Edwin Hubble (1889-1953), ist eine der fundamentalen Größen der Kosmologie. Sie beschreibt die gegenwärtige Rate der Expansion des Universums. Der homogene Vorgang der Expansion wird als Hubble-Fluss (Hubble Flow) bezeichnet.
Irrt das kosmologische Standardmodell?
Dem kosmologischen Standardmodell zufolge hat die Dunkle Energie eine in Zeit und Raum gleichbleibende Dichte. Sie gilt daher als Konstante. Doch in jüngster Zeit zeigen astronomische Messdaten, dass die kosmologische Konstante nicht so konstant wie bisher gedacht.
Die kosmische Expansion verläuft offenbar schneller, als sie es dem Standardmodell nach dürfte. Bereits Anfang 2024 gab es zudem Hinweise darauf, dass auch die treibende Kraft dieser Ausdehnung, die Dunkle Energie, weniger konstant ist als nach dem auf Einsteins Relativitätstheorie beruhenden Modell angenommen.
15 Millionen Galaxien und Quasare mit DESI kartiert
Jetzt scheint sich diese Beobachtung zu verfestigen, wie neueste Ergebnisse des Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), einem speziell auf die Erforschung der Dunklen Energie ausgelegten Experiments in Arizona, zeigen. Mit DESI haben Astronomen inzwischen mehr als 15 Millionen Galaxien und Quasare kartiert und die bisher größte 3D-Karte unseres Kosmos erstellt.
Um das Verhalten der Dunklen Energie zu erfassen, analysierte das Team des DESI-Projekts die Rotverschiebung der Galaxien und Quasare, aber auch subtile Muster in der Galaxienverteilung in Form der sogenannten baryonischen akustischen Oszillation (BAO).
Sie spiegelt Dichtewellen im frühen Kosmos wider, durch die sich Galaxien und Galaxienhaufen bevorzugt in festen Abständen bildeten. Indem Astronomen diese Abstände in verschiedenen Entfernungen messen, können sie auf die Expansionsrate und damit auch den Effekt der Dunklen Energie zu verschiedenen Zeiten schließen.
Warum wird die Dunkle Energie schwächer?
„Wir haben jetzt mehrere Datensätze, die alle in die gleiche Richtung zeigen“, erklärt Seshadri Nadathur von der University of Portsmouth. „Die Daten legen eine sich verändernde Dunkle Energie nahe – und dies mit größerer Zuverlässigkeit als je zuvor.“
Nach Ansicht der Astronomen verstärken die Daten die Zweifel Standardmodell. Sie legen nahe, dass die dort eingetragene Konstante keine ist. „Was wir hier sehen, ist zutiefst faszinierend. Wir könnten hier an der Schwelle einer bedeutenden Entdeckung stehen – zur Dunklen Energie und der fundamentalen Natur unseres Universums“, erläutert DESI-Co-Sprecherin Alexie Leauthaud-Harnett von der University of California in Santa Cruz.
Hat Einstein Relativitätstheorie Lücken?
Es könnte sogar sein, unser kosmologisches Weltbild und Einsteins Relativitätstheorie nicht in allen Punkten richtig liegen. „Es sieht mehr und mehr so aus, als müssten wir unser Standardmodell verändern“, konstatiert DESI-Sprecher Will Percival von der University of Waterloo.
Zur Info: Der Astrophysiker Michael Turner prägte für dieses mysteriöse Phänomen den Begriff „Dark Energy“ – Dunkle Energie. Daten des Weltraumobservatoriums Planck legen nahe, dass 68,3 Prozent des gesamten Energie- und Materiebudgets im Universum auf diese geheimnisvolle Energieform entfallen. Die nicht weniger rätselhafte Dunkle Materie – eine unsichtbare und bisher unbekannte Materieform – folgt mit 26,8 Prozent. Und lediglich 4,9 Prozent bestehen aus „normaler“ Materie.
Grundlegende Fragen neu aufrollen
Was aber bedeutet dies ganz praktisch? Könnten vielleicht einige alternative Modelle das Verhalten der Dunkle Energie besser beschreiben? Zu diesen gehören Theorien, nach denen entweder die Dunkle Energie oder die Gravitation je nach Materiedichte, Größenordnung oder Zeitraum unterschiedlich stark wirken.
Für viele Physiker sind die neuen Erkenntnisse Grund genug, um grundlegende Fragen neu aufzurollen. „Unsere Resultate sind fruchtbarer Boden für die Kollegen aus der theoretischen Physik und wir sind gespannt, was sie zutage fördern“, betont DESI-Direktor Michael Levi vom Berkeley Laboratory.
Parallel dazu hoffen die Astronomen auf weitere Informationen unter anderem aus den Messdaten des europäischen Weltraumteleskops Euclid. Dieses ist ebenfalls darauf ausgelegt, grundlegende kosmologische Parameter wie die Dunkle Energie und Dunkle Materie genauer zu kartieren.
Erforschung Dunkler Materie und Dunkler Energie